Neue Erkenntnisse zu einem uralten Geheimnis
Mittels Lumineszenzdatierung lässt sich feststellen, wann Körner eines Minerals wie Quarz letztmalig Tageslicht ausgesetzt waren. Das macht sie zu einem aussagefähigen Verfahren, um archäologische Stätten und bis zu 500 000 Jahre altes Material zu datieren. Allerdings ist die Variabilität solcher Messungen relativ hoch, und zwar aus bislang ungeklärten Gründen, sodass sich das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt RELOS nun mit den Ursachen befasste. „Dies ist eine wichtige Unbekannte, die es zu klären gilt“, ist Projektkoordinator Jan-Pieter Buylaert überzeugt. „In Laborexperimenten ist, selbst wenn jedes Korn genau die gleiche Strahlendosis erhält, immer noch eine Streuung der gespeicherten Ladung zu beobachten, für die es keine Erklärung gibt.“ In der wissenschaftlichen Praxis werden oft nachträglich Begründungen herangezogen, um die Streuung bei Ergebnissen zu erklären, was Lumineszenzdatierungen eine gewisse Subjektivität verleiht. So wollten Buylaert und seine Forschungsgruppe von der Technischen Universität Dänemark nun nach den Ursachen für die Streuung fahnden, um die Methode zuverlässiger zu machen.
Radioaktiver Zerfall
Mineralkörner im Erdreich werden im Lauf der Zeit mit Energie angereichert, da sie natürlicher Radioaktivität aus ihrer Umgebung ausgesetzt sind. Diese Energie wird in Form von Ladung als Defekt in der Kristallstruktur des Minerals gespeichert. Kommen die Mineralkörnchen in der Natur oder im Labor mit hellem Licht in Kontakt, werden Ladung und gespeicherte Energie in Form von Photonen freigesetzt. Diese Lumineszenz gibt dann Aufschluss darüber, wie lange die Körner in der Erde lagen. Eine der wichtigsten Hypothesen bei der Berechnung der Ladungsspeicherung geht von der elektrischen Neutralität der Körner aus. RELOS hingegen enthüllte, dass die Körner sich ungleichmäßig aufladen und die Ladung bei manchen Körnern negativ, bei anderen positiv ist. „Die Gründe hierfür sind kombiniert und liegen in der unterschiedlichen Größe der Körner sowie der Reichweite der Strahlung“, erklärt Buylaert. „Aber obwohl wir diesen Effekt experimentell beobachteten, konnte kein Zusammenhang zur Streuung unter natürlicher Dosisverteilung hergestellt werden.“ Eine zweite Hypothese ging davon aus, dass Größe, Verteilung und Geometrie einzelner Körner Einfluss darauf haben, wie die durch Strahlung absorbierte Energie auf die Körner verteilt wird, und wie unterschiedlich schnell Ladung von den einzelnen Mineralkörnern akkumuliert wird. Die komplexen mathematischen Modelle, die von der Arbeitsgruppe um Buylaert erstellt wurden, berücksichtigen diesen Aspekt nun.
Datierungen im chinesischen Löss-Hochland
Im Verlauf des Projekts entwickelten Buylaert und seine Gruppe auch ein Diagramm für dosisabhängige Lumineszenzreaktionen, wie sie in der Natur vorkommen. Hierzu wurden Mineralkörner von einem quartären terrestrischen Referenzstandort im chinesischen Löss-Hochland vermessen. Da sich hier kontinuierlich und über Millionen von Jahren hinweg Staubschichten auflagerten, kann das Alter der einzelnen Schichten anhand spezifischer Merkmale wie Paläomagnetismus (Polumkehr) und Milankovitch-Zyklen verifiziert werden, was sich in diesem Falle allerdings als nicht machbar erwies. „Wir fanden eine meterdicke Schicht erodierter Sedimente, sodass die jeweiligen Zeitstufen mehrere Zehntausende von Jahren betrugen. So konnten wir an diesem Standort zwar keine Dosis-Wirkungs-Analyse durchführen, aber die Altersstufen mit regionalen und globalen Klimaereignissen korrelieren“, fügt Buylaert hinzu. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse im Fachblatt „Nature Communications“. Buylaert zufolge können die geometrischen Modelle aus diesem Projekt für sein neues Projekt zur Migration von Menschen in Zentralasien verwendet werden: „Zwar ist das Problem noch nicht gelöst, allerdings werden wir alle Möglichkeiten nutzen, um unsere Untersuchungen wieder aufzunehmen.“
Schlüsselbegriffe
RELOS, Lumineszenzdatierung, radioaktiv, Alter, Mineral, archäologische, Strahlung, Ladung, Streuung
